伊敏露天礦采煤半連續(xù)系統(tǒng)工作線優(yōu)化

李 偉，曹 慧，陳培祥，劉 剛

（1.華能伊敏煤電有限責(zé)任公司 露天礦，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021134；2.華能內(nèi)蒙古東部能源有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000）

伊敏露天礦2014 年開始通過扇形轉(zhuǎn)向方式進(jìn)行二、三采區(qū)過渡，2021 年年初剝離工作面已全部進(jìn)入三采區(qū)，采區(qū)下部主采16#煤層。扇形轉(zhuǎn)向相比基建拉溝，人工、機械、材料、管理等成本降低，同時剝采比控制在了經(jīng)濟可行范圍內(nèi)。在扇形轉(zhuǎn)向過渡期間，伊敏露天礦也面臨著剝離運距增加、內(nèi)排空間受限等問題。為此，圍繞轉(zhuǎn)向期間采、排推進(jìn)度關(guān)系，通過對采煤半連續(xù)系統(tǒng)工作線進(jìn)行優(yōu)化，即通過在半連續(xù)工藝系統(tǒng)原1#主運輸帶式輸送機上增設(shè)1條垂直的3#帶式輸送機，實現(xiàn)采煤工作線推進(jìn)方向90°轉(zhuǎn)向的采礦技術(shù)方法（“L”形工作線）改變主采煤層主推進(jìn)方向，徹底解決上述問題。

1 工程概況

伊敏露天礦采區(qū)下部主采煤層為16#煤，分為上分、主采、下分臺階，其中上分臺階由單斗-卡車間斷工藝采掘相對靈活，半連續(xù)工藝系統(tǒng)負(fù)責(zé)主采與下分臺階，承擔(dān)著900 萬t/a 煤炭生產(chǎn)任務(wù)，半連續(xù)工藝系統(tǒng)流程主要設(shè)備為35 m3電鏟-破碎機-A型轉(zhuǎn)載機-1#工作面帶式輸送機-驅(qū)動頭站-B 型轉(zhuǎn)載機組成，其中1#帶式輸送機為主運輸帶式輸送機。2014 年伊敏露天礦開始扇形轉(zhuǎn)向過渡，隨著過渡逐漸深入，剝離工作面現(xiàn)已全部進(jìn)入三采區(qū)，主要16#煤層位于采區(qū)最下部最后進(jìn)入三采區(qū)，半連續(xù)系統(tǒng)工作線因布置特殊性造成了提前進(jìn)入三采區(qū)的剝離物運距逐漸增加，半連續(xù)工作線推進(jìn)方向與三采區(qū)剝離推進(jìn)方向達(dá)到90°，造成內(nèi)排空間受限進(jìn)而影響了邊坡總體穩(wěn)定性。因此需要對半連續(xù)工藝系統(tǒng)進(jìn)行采礦設(shè)計優(yōu)化，以化解轉(zhuǎn)向期間采礦時空推進(jìn)關(guān)系。

1）半連續(xù)系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。伊敏露天礦在二采區(qū)向三采區(qū)轉(zhuǎn)向過渡期間，地質(zhì)條件的變化出現(xiàn)了采區(qū)西南軸部區(qū)域煤層底板逐漸變深煤層變厚，東南煤層露頭區(qū)域煤層底板逐層抬起煤層傾斜角度逐漸增大情況。同時半連續(xù)系統(tǒng)1#工作面帶式輸送機布置方向偏主采煤層傾向布置，采取技術(shù)措施雖能夠保持半連續(xù)系統(tǒng)帶式輸送機布置及設(shè)備作業(yè)坡度不超過允許值，但1#工作面帶式輸送機仍存在近1 000 m的傾斜布置區(qū)域，不利于電纜料斗車安全運行同時影響采掘效率與設(shè)備站立行駛安全。

2）邊坡穩(wěn)定性。扇形轉(zhuǎn)向期間，轉(zhuǎn)向過渡期間軸部區(qū)域10 年內(nèi)存在局部邊坡長期暴露。而轉(zhuǎn)向軸部區(qū)域，存在F8、F48斷層并伴隨褶曲構(gòu)造，加上原巖臺階薄煤層、弱層較多，邊坡穩(wěn)定性存在一定隱患；同時，轉(zhuǎn)向軸部區(qū)域推進(jìn)度相對較小雖滿足設(shè)計邊坡角但相對工作幫邊坡角仍處于陡峭狀態(tài)，需要時刻進(jìn)行實時邊坡監(jiān)測系統(tǒng)與現(xiàn)場踏勘方式確保邊坡穩(wěn)定性。扇形轉(zhuǎn)向過渡末期，半連續(xù)工藝系統(tǒng)轉(zhuǎn)向推進(jìn)度相比剝離工作面推進(jìn)度滯后，造成內(nèi)排土場推進(jìn)度受限；同時內(nèi)排土場局部處于長期裸露狀態(tài)，缺少局部支撐，內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性存在一定風(fēng)險。

3）內(nèi)排空間接續(xù)受限。內(nèi)排空間受限一方面是在扇形轉(zhuǎn)向末期，由于半連續(xù)系統(tǒng)工作面帶式輸送機長度長、推進(jìn)度小，排土容量空間釋放小于年度總剝離，內(nèi)排總排土空間受限，導(dǎo)致內(nèi)排土場的空間釋放受限；另一方面，由于內(nèi)排土場缺少對角互相支撐，為保證邊坡穩(wěn)定，內(nèi)排土場邊坡角保持穩(wěn)定狀態(tài)，將進(jìn)一步影響內(nèi)排空間釋放。

4）運輸能力受限。因半連續(xù)工藝系統(tǒng)的布置及扇形轉(zhuǎn)向過渡，伊敏露天礦運輸系統(tǒng)主要集中在繞幫運輸半環(huán)形干線，剝離物料由工作幫、端幫繞行進(jìn)入內(nèi)排土場。進(jìn)入轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向過渡末期，剝離推進(jìn)方向與采煤推進(jìn)方向的嚴(yán)重不匹配造成剝離運距進(jìn)一步增加、升降臺階提升高程顯著增加，造成運輸能力受限。

2 扇形轉(zhuǎn)向優(yōu)化方式

依據(jù)采礦設(shè)計與現(xiàn)場實踐，解決剝離、采煤、內(nèi)排時空關(guān)系推進(jìn)過程中受限問題，解決問題的本質(zhì)是改變半連續(xù)系統(tǒng)整體推進(jìn)方向進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化的實施方式為采取半連續(xù)系統(tǒng)主采煤層16#煤，推進(jìn)方向由沿走向布置工作線傾向推進(jìn)變更為沿傾向布置工作面走向推進(jìn)，改變采煤工作線角度實質(zhì)是改變轉(zhuǎn)向過渡時期半連續(xù)系統(tǒng)工作線與煤層傾向間的夾角[1-2]，在平行于傾向上增設(shè)1 條垂直于原1#帶式輸送機方向的3#工作面帶式輸送機，形成“L”形工作線，1#帶式輸送機由主運輸帶式輸送機變更為輔助運輸帶式輸送機，增設(shè)的3#帶式輸送機作為主運輸帶式輸送機服務(wù)半連續(xù)工藝系統(tǒng)，半連續(xù)系統(tǒng)沿走向布置1#工作面帶式輸送機，采礦推進(jìn)方向為沿1#帶式輸送機走向推進(jìn)。初期3#帶式輸送機布設(shè)長度為450 m，1#帶式輸送機運輸長度超過1 000 m，實現(xiàn)推進(jìn)工作線長度由1 000 m 降為450 m，極大的提高采礦推進(jìn)速度。半連續(xù)工藝系統(tǒng)的優(yōu)化實現(xiàn)了推進(jìn)方向的質(zhì)變：①解決了半連續(xù)采煤工藝系統(tǒng)扇形轉(zhuǎn)向過渡過程中遭遇的斷層、不對稱向斜以及煤層露頭區(qū)等構(gòu)造帶的地質(zhì)和開采條件復(fù)雜的問題[3]，半連續(xù)系統(tǒng)穩(wěn)定性增加；②半連續(xù)推進(jìn)工作線長度降低推進(jìn)度變快增加了內(nèi)排總體空間；③推進(jìn)方向的質(zhì)變實現(xiàn)了運輸干線運距的縮短，解決了運輸能力受限；④內(nèi)排空間的增加實現(xiàn)了邊坡穩(wěn)定性總體提升。

3 扇形轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向優(yōu)化實踐效益

1）推進(jìn)方向更加優(yōu)化。半連續(xù)工藝系統(tǒng)16#煤層主采臺階增設(shè)3#帶式輸送機工作面調(diào)整推進(jìn)方式后，16#煤層推進(jìn)上實現(xiàn)超前轉(zhuǎn)向，內(nèi)排排土推進(jìn)方式由單一南幫內(nèi)排調(diào)整為南幫、東幫內(nèi)排相結(jié)合，同時在內(nèi)排邊坡穩(wěn)定安全互補上，運距及時調(diào)整上、內(nèi)排空間調(diào)節(jié)釋放上均達(dá)得到了可靠保障。優(yōu)化前后采煤及排土工作線如圖1。

圖1 優(yōu)化前后采煤及排土工作線

2）半連續(xù)系統(tǒng)運行穩(wěn)定性得到提升。由于半連續(xù)系統(tǒng)主采臺階3#帶式輸送機的投入使用，二、三采區(qū)用時10 年的轉(zhuǎn)向期得到縮短，2021 年主采16#煤將提前進(jìn)入三采區(qū)，相比原計劃提前3 年。同時，原有的西端幫帶式輸送機系統(tǒng)可以提前進(jìn)行置換。置換后，2021 年即可再次對轉(zhuǎn)向軸部區(qū)域進(jìn)行推進(jìn)，增加軸部區(qū)域的平盤寬度，減緩幫坡角。

3）內(nèi)排土場更加穩(wěn)定。半連續(xù)系統(tǒng)主采臺階3#帶式輸送機的投入，加快了采煤工作面的推進(jìn)速度，使主采煤層采煤工作線超前轉(zhuǎn)向完成，使內(nèi)排土場東幫能夠提前投入使用。東幫內(nèi)排土場逐步推進(jìn)，與南幫內(nèi)排土場共同形成了“內(nèi)凹式”的排土場模型，這種排土場模型下，內(nèi)排土場邊坡相互支持相互促進(jìn)且沒有突出點，邊坡無盲區(qū)無不穩(wěn)定區(qū)域，同時兩幫排土場互相支撐，總體提高邊坡穩(wěn)定性，將內(nèi)排土場的邊坡角進(jìn)一步加大，提高內(nèi)排土場邊坡角度1.2°。

4）內(nèi)排空間得到大面積釋放。采區(qū)16#煤層采煤工作線超前轉(zhuǎn)向完成后，一方面東幫內(nèi)排土場超前投入使用，較原計劃提前2 年；另一方面，內(nèi)排土場穩(wěn)定性的提高，可以適當(dāng)增加內(nèi)排土場邊坡角，進(jìn)一步釋放內(nèi)排空間。半連續(xù)系統(tǒng)優(yōu)化后實現(xiàn)的超前轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)了超前使用內(nèi)排土場空間增加2 500 萬m3并隨著推進(jìn)速度的增加持續(xù)擴大，極大緩解了內(nèi)排土場的壓力，確保了生產(chǎn)接續(xù)穩(wěn)定。同時內(nèi)排土場東幫的超前投入，確保了上部全連續(xù)工藝系統(tǒng)排土布置得到正常釋放，間接為全連續(xù)工藝系統(tǒng)達(dá)產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

5）運輸系統(tǒng)經(jīng)濟效益提升。轉(zhuǎn)向過渡期間，根據(jù)排卸的數(shù)量及位置不同，按照這些特點尋找最優(yōu)的運輸路徑，縮短運輸運距，減少成本[4]。扇形轉(zhuǎn)向過渡期間半連續(xù)系統(tǒng)優(yōu)化布局后生產(chǎn)接續(xù)方式產(chǎn)生了新的排土運輸系統(tǒng)，即靠直線型運輸系統(tǒng)，東幫剝離運輸車輛全部沿靠幫運輸公路進(jìn)入排土場[5]。原有剝離運輸線路是采場-北幫-東幫-南幫的繞幫行駛，而主采16#煤層采煤工作線超前轉(zhuǎn)向完成后，東幫內(nèi)排土場能夠提前投入使用，部分剝離物料可以通過東幫進(jìn)行調(diào)節(jié)，極大縮短了運輸距離。據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計，部分運輸距離年均縮短400 m，降低了運行成本，增加了剝離效率及運輸維護(hù)成本。同時3#工作面帶式輸送機的投入，使1#工作面帶式輸送機轉(zhuǎn)為純運輸帶式輸送機，2022 年之前無需進(jìn)行移設(shè)，具備在帶式輸送機上部架設(shè)橋涵的條件并與2021 年3 月成功實現(xiàn)底板跨帶式輸送機橋涵的通車。伊敏露天礦計劃架設(shè)承載400 t 的鋼結(jié)構(gòu)橋涵后，底部夾矸臺階的部分剝離物料可以直接通過橋涵運輸至南幫內(nèi)排土場，減少了提升高程，預(yù)計總通過量200萬m3/月，這部分物料運距可以縮短800 m，按照2018 年剝離成本3.1 元/（m3·km）核算，可以降低成本近500 萬元。

4 采煤半連續(xù)系統(tǒng)優(yōu)化后系統(tǒng)后續(xù)技術(shù)措施

3#帶式輸送機架設(shè)成功解決了剝離推進(jìn)與采煤推進(jìn)度的不平衡問題，使得端幫運輸系統(tǒng)運距優(yōu)化及內(nèi)排土空間釋放的總體布局能夠在未來推進(jìn)過程中更加平穩(wěn)過渡。同時，推進(jìn)方式上的質(zhì)變緩解了當(dāng)下采排時空關(guān)系衍生出來的系列問題，采礦技術(shù)的升級優(yōu)化需一并統(tǒng)籌預(yù)測后期困難的出現(xiàn)及研究解決思路。

“L”形工作線布置后將面臨的技術(shù)難題及解決措施如下：

1）內(nèi)排土場東幫底板順傾?！癓”形工作線成功實現(xiàn)變革了內(nèi)排土場的排土方向，緩解了內(nèi)排空間緊張，但同時在推進(jìn)方向上東幫底板傾向性順傾保邊坡穩(wěn)定性技術(shù)措施將提前實施。底板順傾排土治理方法的技術(shù)手段是保障東端幫穩(wěn)定的基礎(chǔ)。2021 年開始沿排土推進(jìn)方向上出現(xiàn)順傾，傾角為5%，年度降深達(dá)到20 m，持續(xù)期為2 年，隨著降深的增加，為滿足半連續(xù)工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求，取消上分臺階，單斗卡車工藝間斷系統(tǒng)調(diào)整至半連續(xù)系統(tǒng)下分下部，同時排土場邊坡穩(wěn)定性將受到嚴(yán)峻考驗。解決排土場底板穩(wěn)定基本原理基底物料的內(nèi)摩擦角大于邊坡的內(nèi)摩擦角；酌情采用反向排土分層碾壓工藝，通過在潛在滑坡體前緣抗滑段及其以外回填土石，主動減少邊坡臨空面范圍、增大抗滑力，從而降低邊坡沿順傾基底發(fā)生順層滑動的可能性[6－8]。

2）底板疏干水難度加大。在半連續(xù)系統(tǒng)推進(jìn)方向上，2021—2022 年進(jìn)入16＃軸部區(qū)域最終處（煤層最終處），降水標(biāo)高由525 m 水平直接至底板標(biāo)高503 m，特別是2021 年降深將超過18 m，降深深度與水量相比增加。疏干降深效果直接影響半連續(xù)系統(tǒng)采掘及下分臺階的單斗工藝含水煤傾斜采掘效率，成為制約采礦、排土的關(guān)鍵因素。伊敏露天礦采取獨創(chuàng)煤層頂板明排13 口疏干井與底板防洪系統(tǒng)相結(jié)合方式同時疏干，針對超降防洪系統(tǒng)同時兼顧夏季防汛與全年全周期疏干排水工作，同時實驗大口徑明排疏干代替?zhèn)鹘y(tǒng)明渠挖溝，進(jìn)一步提高抽水效果與能力，并時刻跟蹤單孔疏干水量與周邊水位、水量情況，進(jìn)一步研究疏干漏斗影響范圍，實現(xiàn)超前降水解決1＃工作面帶式輸送機南北兩側(cè)降深。

3）運輸系統(tǒng)提升高程增加。隨煤層順傾底板降深，單斗－卡車將由上分臺階逐漸過渡到半連續(xù)下分臺階下部及1＃輔助帶式輸送機南側(cè)排土場區(qū)域，屆時采煤運距與提升高程進(jìn)一步增加，底板采煤區(qū)與端幫剝離運輸干線的交叉安全問題更是技術(shù)管控的難點。通過1＃帶式輸送機400 t 橋涵的架設(shè)能夠解決底板煤回收－橋涵－一破的近運距卸載問題，通過端幫剝離運輸系統(tǒng)分流，實現(xiàn)半連續(xù)下分臺階分流至1＃、2＃、3＃破碎站，運輸交叉減少，提升了運煤與剝離運輸之間的安全性。

5 結(jié)語

通過采煤半連續(xù)系統(tǒng)優(yōu)化實踐，伊敏露天礦順利實現(xiàn)了半連續(xù)系統(tǒng)的工作線適時轉(zhuǎn)向，完成了二采區(qū)向三采區(qū)的超前過渡。采區(qū)最下部16＃煤層半連續(xù)作業(yè)工作面成功實現(xiàn)“L”形工作線布置，成功解決了半連續(xù)系統(tǒng)不穩(wěn)定、內(nèi)排空間受限、排土場邊坡風(fēng)險、運距高程增加等現(xiàn)實難題，同時對邊坡安全穩(wěn)定性有較大提升。在“L”形工作線成功布設(shè)后，實現(xiàn)采剝、內(nèi)排總體推進(jìn)度均衡，針對后期預(yù)判問題落實了相關(guān)解決措施，鞏固了伊敏露天礦扇形轉(zhuǎn)向末期的采礦基礎(chǔ)，同時為國內(nèi)相似礦山提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗。